Принципы организации вычислительных систем перспективных летательных аппаратов
Принципы построения перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авиационном приборостроении. Структурная схема перспективной бортовой вычислительной системы. Показатели надежности для нескольких сетевых архитектур вычислительной машины.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.10.2018 |
| Размер файла | 268,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФГУП "Санкт-Петербургское ОКБ "Электроавтоматика" им. П.А. Ефимова",
Принципы организации вычислительных систем перспективных летательных аппаратов
Е.В. Книга
Аннотация
Рассматриваются основные принципы построения перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авиационном приборостроении. Приводится структурная схема перспективной бортовой вычислительной системы. Сравниваются показатели надежности для нескольких сетевых архитектур вычислительной машины.
Введение
Бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС) современного летательного аппарата (ЛА) представляют собой сложные технические объекты проектирования, решающие в составе ЛА различные функциональные задачи: определения пилотажно-навигационных параметров в режиме взлета, горизонтального полета, посадки ЛА; слежения за техническим состоянием бортового оборудования; координации работы всех бортовых подсистем; сбора, хранения, обработки и выдачи пилоту на средства индикации объективной информации, получаемой как от информационно-измерительной системы ЛА, так и от органов управления информационно-управляющего поля кабины пилота.
Для проектирования вычислительной системы перспективного летательного аппарата необходимо решить следующие задачи: повышения надежности комплекса бортового оборудования, минимизации затрат на обслуживание оборудования, затрат на его разработку, обеспечения информационной и технологической независимости, обеспечение масштабируемости.
В соответствии с современными тенденциями развития бортовых комплексов архитектура БЦВС основывается на следующих принципах [4, 5, 8, 10, 11]:
аппаратной и функциональной интеграции бортовых вычислительных систем и датчиков, автономных и радиотехнических систем навигации, систем связи;
модульности построения основных вычислительных систем на основе единой сетевой информационно-управляющей системы с распределенными ресурсами и высокоскоростными шинами обмена;
открытости архитектуры, обеспечивающей возможность наращивания и модернизации комплекса;
вычислительная система бортовая авиационная
использования новейших технических решений в области электроники и информационных технологий;
внутрипроектной унификации, как аппаратных средств, так и программного обеспечения;
межпроектной унификации для всех типов пассажирских и военно-транспортных самолетов, как перспективных, так и модернизируемых.
Перспективная архитектура БЦВС базируется на сетевых технологиях с применением высокоскоростных последовательных внутрисистемных интерфейсов, допускающих коммутацию электрических межмодульных соединений и возможность построения динамически реконфигурируемых вычислительных структур.
Предлагаемый доклад посвящен реализации БЦВС на основе высокоскоростного интерфейса SpaceWire.
Анализ существующих решений
В проектах известных сегодня отечественных образцов [1, 2, 3, 6, 7, 11] БЦВС в качестве внутрисистемного интерфейса используются интерфейсы ARINC664 (Gigabit Ethernet 1000Base-SX, AFDX), CompactPCI (PICMG 2.0, D3.0), PCI Express, RapidIO, VME64x и др.
Построение БЦВС на основе последовательных внутрисистемных интерфейсов типа ARINC664, с высокой скоростью передачи данных требует включения в состав БЦВС специализированных устройств сопряжения (контроллеров), обеспечивающих взаимодействие быстродействующих компонентов БЦВС с менее производительными бортовыми интерфейсами.
Построение БЦВС на основе параллельных внутрисистемных интерфейсов типа CompactPCI, PCI Express, RapidIO (LP-LVDS), VME64x с большим количеством проводников во внутрисистемном интерфейсе сегодня не может обеспечивать высокую отказоустойчивость БЦВС при работе интерфейса в гигагерцовом диапазоне частот и, следовательно, отказобезопасность работы БЦВС в целом.
Таким образом, тип внутрисистемного интерфейса является определяющим в выборе архитектуры БЦВС. Очевидно, перспективная архитектура БЦВС базируется сегодня на сетевых технологиях с применением высокоскоростных последовательных внутрисистемных интерфейсов, допускающих коммутацию электрических межмодульных соединений и, следовательно, возможность построения динамически реконфигурируемых вычислительных структур.
Архитектура БЦВС на основе интерфейса SpaceWire
Одним из путей практической реализации перспективных бортовых цифровых вычислительных систем является построение вычислительных систем с применением технологии коммутируемых высокоскоростных интерфейсов SpaceWire в качестве внутрисистемного интерфейса, а также в качестве внешнего интерфейса для подключения сетевых абонентов в составе летательного аппарата.
Результатом практической реализации рассмотренных принципов построения бортовой цифровой вычислительной системы является структура бортовой цифровой вычислительной системы, внедренная в разработку бортовой аппаратуры в ФГУП "СПб ОКБ "Электроавтоматика" им. П.А. Ефимова".
Структурная схема перспективной БЦВС, разработанной в ФГУП "СПб ОКБ "Электроавтоматика" им. П.А. Ефимова" [2, 9], представлена на рисунке 1. БЦВС построена на основе унифицированных конструктивно-функциональных модулей (КФМ). В качестве КФМ выступают разные по назначению модули:
вычислительные модули, производящие сложные расчеты для управления полетом ЛА;
модули ввода-вывода, обеспечивающие функции обмена информацией по последовательным каналам, мультиплексным каналам обмена, разовым командам;
графические модули, обрабатывающие изображение для его вывода на средства бортовой индикации;
модули постоянной памяти, предназначенные для хранения функционального программного обеспечения;
модули электропитания, обеспечивающие преобразования напряжения бортовой резервированной сети во вторичные напряжения, необходимые для электропитания модулей. Структурная схема перспективной БЦВС представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема БЦВС.
В основу архитектуры вычислительной системы положены сетевые топологии коммутации модулей "двойная звезда" и "полносвязная сеть".
Рисунок 2 - Комбинационная схема сетевой топологии БЦВС.
Комбинационная схема, представленная на рисунке 2, повышает надежность благодаря возможности полного резервирования каналов связи при подключении по топологии “двойная звезда”, обеспечивает резервирование каналов и максимальные значения пропускной способности благодаря использованию топологии “полносвязная сеть”, а в качестве дополнительного эффекта обеспечивает программно управляемое исполнение функциональных задач авионики.
Сравнение показателей надежности для различных вариантов назначения функциональных задач на вычислительные ресурсы
Данная архитектура создает предпосылки для реализации нескольких вариантов назначения функциональных задач на имеющиеся в системе вычислительные ресурсы:
Каждая из задач исполняется на собственном вычислительном устройстве;
Все задачи исполняются на одном вычислительном устройстве;
Часть задач исполняется на индивидуальных вычислительных устройствах, остальные задачи исполняются на одном вычислительном устройстве.
Используя разные правила назначения функциональных задач на имеющиеся вычислительные ресурсы, появляется возможность за счет организации логических протоколов взаимодействия между модулями повышать надежность или увеличивать количество решаемых задач. Сравним несколько вариантов.
Первый вариант, когда необходимо решать большое количество задач в полете, и их решением будут заняты 8 вычислительных модулей. Схема надежности представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема надежности вычислительной системы для первого варианта без резервирования вычислительных модулей.
Структура разбита на три группы: группу 1, состоящую из 2 модулей МПП, группу 2, состоящую из8 модулей МВ и группу 3, состоящую из 4 модулей МН и 2 фильтров радиопомех (ФРП).
Показатели вероятности безотказной работы и вероятности отказа для каждой группы представлены в таблице 1.
Таблица 1. Показатели надежности по группам для первого варианта
|
Группа 1 |
0,999976 |
2.48•10-5 |
|
|
Группа 2 |
0.983970 |
0.016030 |
|
|
Группа 3 |
0.9999999997 |
2.58•10-9 |
|
|
Система |
16,08•10-3 |
Таким образом, показатель наработки на отказ для времени полета будет равен:
(1)
Второй вариант, когда для решения необходимого объема функций в полете достаточно 4 вычислительных модулей, поэтому оставшиеся 4 вычислительные модуля можно использовать как резервную цепочку для горячего резервирования. Схема надежности для этого случая представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема надежности вычислительной системы для второго варианта с резервированием в виде дублирования последовательных групп из 4 вычислительных модулей.
Структура также разбита на три группы, но в данном случае вторая группа представлена в виде двух последовательных групп из четырех вычислительных модулей каждая.
Показатели вероятности безотказной работы и вероятности отказа для каждой группы представлены в таблице 2.
Таблица 2. Показатели надежности по группам для второго варианта
|
Группа 1 |
0,999976 |
2.48•10-5 |
|
|
Группа 2 |
0,999855 |
1.45•10-4 |
|
|
Группа 3 |
0.9999999997 |
2.58•10-9 |
|
|
Система |
1,94•10-4 |
Таким образом, показатель наработки на отказ для времени полета будет равен:
ч (2)
Конструкция БЦВС
Конструкция вычислительной системы предназначена для сменных конструктивно-функциональных модулей с типоразмером 6U (по стандарту VITA-48) с кондуктивным охлаждением для реализации функций авионики центрального вычислителя и систем индикации в составе КБО.
Несущая конструкция имеет вид, представленный на слайде. Несущая конструкция обеспечивает:
механическую установку и электрическое соединения сменных конструктивно-функциональных модулей;
подключение на объекте к:
бортовым интерфейсам SpaceWire, Fibre Channel;
каналам информационного обмена разовыми командами;
мультиплексным каналам;
системе электроснабжения объекта;
системе кондиционирования воздуха объекта.
механическую установку вычислительной системы на объекте;
возможность безопасного удаления и замены неисправных конструктивно-функциональных модулей на месте эксплуатации и имеет защиту от механических воздействий и электростатического разряда. Монтаж и демонтаж модулей осуществляется с помощью экстракторов, входящих в их конструкцию;
Конструкция вычислительной системы обеспечивает восстановление работоспособности вычислительной системы на объекте заменой отказавшей системы на исправную, при этом время замены не превысит 2 - минут при наличии свободного доступа к конструкции.
Масса вычислительной системы составляет 35 кг, ее габаритные размеры 490Ч275 Ч327,5 мм.
В настоящее время изготовлен опытный образец и проводится отладка программного обеспечения на стенде отработки в ОКБ.
Заключение
В докладе были проанализированы различные структуры БЦВС и используемые в них сетевые интерфейсы, была представлена структура БЦВС с использованием интерфейса SpaceWire, на основе которого построена сетевая топология типа “полносвязная сеть”.
Преимуществами использования в составе БЦВС в качестве внутрисистемного интерфейса каналов SpaceWire являются:
повышение надежности работы внутренней сети обмена данными благодаря возможности полного резервирования каналов связи за счет соединения КФМ БЦВС по топологии "двойная звезда";
достижение максимального уровня пропускной способности внутрисистемного интерфейса в границах соединенных компонентов по топологии "полносвязная сеть";
обеспечение программно управляемого исполнения функциональных задач авионики за счет соединения компонентов БЦВС по топологии "полносвязная сеть".
Предложенная структура была реализована в комплексе бортового оборудования "Крейт" в ФГУП "Санкт-Петербургское ОКБ "Электроавтоматика" им. П.А. Ефимова". В настоящее время изготовлен опытный образец и проводится отладка программного обеспечения на стенде отработки в ОКБ.
Литература
1. Абросимов О.В. и др. Базовая несущая конструкция платформы интегрированной модульной авионики. - Патент на полезную модель №106404 U1 RU, МПК G06F 1/16. №2010129389/08. Заявл.15.07.2010. Опубл.10.07.2011.
2. Богданов А.В. и др. Платформа интегрированной модульной авионики. - Патент на полезную модель №108868 U1 RU, МПК G06F 9/00, №2011121962/08. Заявл.01.06.2011. Опубл.27.09.2011.
3. Герлих Х. Модульная система авионики самолета. - Патент №2413655 С2 RU, МПК В64С 19/00. №2008123940/11. Заявл.16.11.2006. Опубл.10.03.2011. Бюл. №7.
4. Джанджгава Г.И. Авионика пятого поколения: новые задачи - новая структура. - Вестник авиации и космонавтики. - 2001. - № 5. - C.8-10.
5. Евгенов А.В. Направления развития интегрированных комплексов бортового оборудования самолетов гражданской авиации. - Авиакосмическое приборостроение. - 2003. - № 3. - С.48-53.
6. Егоров К.А. и др. Платформа интегрированной модульной авионики. - Патент №2413280 С1 RU, МПК G06F 9/02. №2009127190/08. Заявл.14.07.2009. Опубл.27.02.2011. Бюл. №6.
7. Егоров К.А. и др. Платформа интегрированной модульной авионики. - Патент на полезную модель №88462 С1 RU, МПК G06F 9/00. №2009127040/22. Заявл.14.07.2009. Опубл.10.11.2009.
8. Ефанов В.Н. Открытые архитектуры в концепции авионики пятого поколения // Бодрунов С.Д. - Мир авионики. - 2004. - № 5. - С. 20-28.
9. Жаринов О.О. Принципы построения крейта бортовой многопроцессорной вычислительной системы для авионики пятого поколения // Видин Б.В., Шек-Иовсепянц Р.А. - Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО. 2010. вып.68. С.21-27.
10. Михайлуца К.Т. Основные архитектурные концепции информационно-вычислительной среды бортового оборудования перспективных летательных аппаратов // Чернышев Е.Э., Шейнин Ю.Е. - Современные технологии извлечения и обработки информации. - СПб: Радиоавионика, 2001. - 175 с.
11. Севбо В. Многопроцессорный вычислительный комплекс для задач "жесткого" реального времени // Орлов А., Лошаков А. - Современные технологии автоматизации. 2007. №3. С.32-38.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
История развития вычислительной техники, основные характеристики. Основное отличие вычислительной системы от компьютера, виды архитектур. Классификация уровней программного параллелизма. Главные особенности векторной, матричной обработки регистров.
курсовая работа [36,0 K], добавлен 21.07.2012Классификации архитектур вычислительных систем. Организация компьютерных систем. Устройство центрального процессора. Принципы разработки современных компьютеров. Эволюция микропроцессорных систем. Увеличение числа и состава функциональных устройств.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 29.01.2009Применение многопроцессорных вычислительных систем. Отличительные особенности многопроцессорной вычислительной системы. Cервера серии HP 9000. Структурная схема компьютера с гибридной сетью. Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти.
курсовая работа [440,6 K], добавлен 13.08.2011Классификация Флинна как наиболее ранняя и известная классификация архитектур вычислительных систем, ее структура и содержание, признаки. Общая характеристика используемых классов. Описание и значение других распространенных методов классификации.
лекция [173,1 K], добавлен 22.10.2014Принципы организации и построения электронно-вычислительной машины. Основные характеристики и режимы работы ЭВМ. Организация интерфейса. Устройства управления в процессоре. Вычислительные системы и арифметико-логическое устройство. Микрооперация сдвига.
курс лекций [880,9 K], добавлен 31.05.2014Основные этапы развития вычислительных устройств до начала 50-х годов (появление серийных ЭВМ с хранимой программой). История создания новых полностью электронных цифровых компьютеров. Принципы Неймана как основополагающие концепции построения ЭВМ.
реферат [36,7 K], добавлен 07.12.2012Определение перспектив, направлений и тенденций развития вычислительных систем как совокупности техники и программных средств обработки информации. Развитие специализации вычислительных систем и проблема сфер применения. Тенденции развития информатики.
реферат [19,5 K], добавлен 17.03.2011Цели и функции, а также принципы и этапы организации локальной вычислительной сети, оценка ее роли и значения в деятельности предприятия. Выбор основных сетевых решений и способов управления. Структурная схема кабельной сети и оценка ее безопасности.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 16.04.2016Структуры вычислительных машин и систем. Фон-неймановская архитектура, перспективные направления исследований. Аналоговые вычислительные машины: наличие и функциональные возможности программного обеспечения. Совокупность свойств систем для пользователя.
курсовая работа [797,5 K], добавлен 05.11.2011Описание нетрадиционных и мультипроцессорных архитектур вычислительных систем. Принципы параллельной и конвейерной обработки данных. Теория массового обслуживания и управления ресурсами компьютерных систем. Базовые топологии локальных и глобальной сетей.
книга [4,2 M], добавлен 11.11.2010Периодизация развития электронных вычислительных машин. Счетные машины Паскаля и Лейбница. Описаний эволюционного развития отечественных и зарубежных пяти поколений электронных вычислительных машин. Сущность внедрения виртуальных средств мультимедиа.
доклад [23,6 K], добавлен 20.12.2008Составляющие информационных систем: определение, соотношение, изменчивость, выбор подхода к проектированию. Принципы построения корпоративных систем. Обзор технических решений для построения локальных вычислительных систем. Схемы информационных потоков.
курсовая работа [571,6 K], добавлен 16.10.2012Историческое развитие средств вычислений. Структурные схемы вычислительных систем. Развитие элементной базы и развитие архитектуры самих систем. Основные классы вычислительных машин. Каналы передачи данных. Требования к составу периферийных устройств.
реферат [48,7 K], добавлен 09.01.2011Классификация вычислительных систем по способам взаимодействия потоков выполняемых команд и потоков обрабатываемых данных, их разновидности и функциональные особенности. Принципы расширения классификации Флинна. Виды топологии соединительной сети.
презентация [175,6 K], добавлен 11.10.2014Ранние приспособления и устройства для счета. Появление перфокарт, первые программируемые машины, настольные калькуляторы. Работы Джона Фон Неймана по теории вычислительных машин. История создания и развития, поколения электронно-вычислительных машин.
реферат [37,7 K], добавлен 01.04.2014Особенности проектирования и анализ современных информационных локальных и глобальных вычислительных сетей. Проведение настройки виртуальной локальной вычислительной сети (VLAN), HTTP и DNS серверов, сетевых протоколов OSPF, RIP, STP, технологий NAT.
курсовая работа [182,1 K], добавлен 16.01.2014Исследование структуры типовой вычислительной сети. Модель процесса вскрытия вычислительной сети и взаимосвязь основных его этапов. Конфликт в информационной сфере между субъектом и объектом познания. Описания алгоритмов динамического масштабирования.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 21.12.2012Надежность системы управления как совокупность надежности технических средств, вычислительной машины, программного обеспечения и персонала. Расчет надежности технических систем, виды отказов САУ и ТСА, повышение надежности и причины отказов САУ.
курс лекций [228,2 K], добавлен 27.05.2008Программное обеспечение языков программирования, их виды и общая структура каждого поколения. Понятие архитектуры ЭВМ, ее структура и принципы функционирования. Основные характеристики вычислительной техники. Перспективы развития вычислительных средств.
реферат [105,1 K], добавлен 05.02.2011Особенности создания параллельных вычислительных систем. Алгоритм построения нитей для графа и уплотнения загрузки процессоров. Построение матрицы следования. Подсчет времени начала и конца работы нити. Логические функции взаимодействия между дугами.
курсовая работа [1012,4 K], добавлен 11.02.2016
